JP6174425B2 - 地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法に関するものであり、詳しくは、鉄筋カゴ等からなる巻付治具に伝熱管を巻き付けて地中に挿入する際の施工方法に関するものである。

近年、再生可能エネルギーの利用に注目が集まっており、地中熱を利用して冷暖房を行う技術も種々開発されている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１に記載された技術は、構造体としての基礎杭を利用して熱交換用配管を設置して地中との熱交換を行うようにしたシステムに関するものであり、熱交換用配管を、基礎杭の設計杭径と掘削孔との空隙に位置するようにして、基礎杭の外周側に立体螺旋形状に支持するようになっている。

特許文献２に記載された技術は、杭の全長または一部区間において、主鉄筋の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管を配置し、らせん状細径鋼管中に熱媒体を通流させて地中熱交換を行う機能を付加したものである。

特許文献３に記載された技術は、外管内に、被熱交換流体の流れる伝熱管が挿入されるとともに、熱媒体が封入された地中熱交換装置に関するものであり、伝熱管を、外管の頂部から延びて当該外管の底部で折曲し、再度、頂部へ戻るように伝熱管を配設し、伝熱管の一部が外管の内周面に接するように配置したものである。この伝熱管は、暖房運転と冷房運転とにおいて、内部を冷媒が逆方向に流通する。

特開２００６−１０１３３号公報 特開２００６−２９００６号公報 特開２０１０−１６４２９３号公報

上述したように、再生可能エネルギーの利用は地球環境への負荷を軽減するために重要な技術であり、特に地中熱の利用に関しては安定したエネルギー供給という点から着目されている。地中熱を利用するためには、地中に熱交換用の伝熱管を配設しなければならず、先行技術文献として挙げたように種々の技術が開発されている。

しかしながら、基礎杭を利用した技術は、基礎杭の施工が前提条件となっており、応用範囲が限られている。また、基礎杭を利用せずに、鉄筋カゴ等からなる巻付治具の外周部に伝熱管を配設して、地中に埋める技術も存在する。

このような技術では、巻付治具の外周部に伝熱管がしっかりと巻き付けられていないと、伝熱管を地中に埋設した際に、伝熱管が均等に配設されなかったり、伝熱管が損傷したりするおそれがある。したがって、巻付治具に対する伝熱管の巻き付け工程において、十分な注意を払い、巻付治具の外周部に伝熱管をしっかりと巻き付けなくてはならない。

また、巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける際に、伝熱管の離間間隔を均等に保つことが必要であり、容易に施工を行うことが可能な技術の開発が望まれていた。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、鉄筋カゴ等からなる巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける際に、必要十分な巻き付け力を付与することができ、さらに、伝熱管の離間間隔を均等に保つことが可能な地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法を提供することを目的とする。

本発明の地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法は、上述した事情に鑑み提案されたもので、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明の地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法は、地盤中に削孔した縦孔の上部から、吊り下げ装置（例えば、クレーン）で吊り下げた巻付治具（例えば、鉄筋カゴ）を当該縦孔内に吊り下ろすとともに、当該巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける工程を含んでいる。

そして、伝熱管の巻き付け工程において、回転可能な載置台上に伝熱管を載置し、巻付治具を回転させながら、当該巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける際に、載置台の回転を制御して伝熱管に張力を付与する。また、伝熱管を巻付治具に巻き付けながら、伝熱管を巻付治具に固定し、吊り下げ装置による巻付治具の吊り下げ位置を下降させて、巻付治具の略全外周部に、伝熱管を巻き付けることを特徴とするものである。

この地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法において、巻付治具の外周部に近接して、伝熱管の巻き付け位置を規定するための巻き付け補助具を配設することが好ましい。

上述した構成からなる地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法では、地中熱交換装置を埋設する地盤中に縦孔を削孔する。また、伝熱管の芯材となる巻付治具（例えば、鉄筋カゴ）を組み立てる。そして、クレーン等の吊り下げ装置を用いて、巻付治具を吊り下げ、縦孔の内部に徐々に挿入してゆく。

巻付治具の挿入過程で、巻付治具を回転させながら、巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける。施工現場へ納入される伝熱管は、円筒状に巻回されており、回転可能な載置台上に載置しておく。そして、載置台の回転を制御することにより、伝熱管に張力を付与しながら、巻付治具への巻き付けを行う。

また、巻付治具の外周部に近接して巻き付け補助具を配設し、この巻き付け補助具により伝熱管の巻き付け位置を規定する。

本発明の地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法によれば、鉄筋カゴ等からなる巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける際に、必要十分な巻き付け力を付与することができる。したがって、鉄筋カゴ等からなる巻付治具の外周部に伝熱管を容易に巻き付けることができるだけではなく、伝熱管を地中に埋設した際に、伝熱管が緩んで配設位置がずれたり、伝熱管が損傷したりすることがなく、適切かつ容易に、伝熱管を対象地盤中に埋設することが可能となる。

また、巻き付け補助具により伝熱管の巻き付け位置を規定することにより、伝熱管の離間間隔が均等に保たれ、伝熱管を対象地盤中に埋設した際に、熱交換効率を高めることが可能となる。

本発明の実施形態に係る地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法を示す模式図。 本発明の実施形態に係る地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法における削孔工程を示す模式図。 巻き付け補助具の構成を示す説明図。

以下、図面を参照して、本発明の地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法（以下、伝熱管の施工方法と略記する）の実施形態を説明する。図１〜図３は本発明の実施形態に係る伝熱管の施工方法を説明するもので、図１は伝熱管の施工方法を示す模式図、図２は削孔工程を示す模式図、図３は巻き付け補助具の構成を示す説明図である。

＜伝熱管の施工方法の概要＞
本発明の実施形態に係る伝熱管の施工方法は、図１に示すように、地中熱を採熱するために、地中に削孔した縦孔４０内に伝熱管２０を埋設する際に実施する工法である。そして、本施工方法で施工した伝熱管２０内に水又はブライン（不凍液）等の熱媒体を循環させ、採熱した地中熱を空調に利用することができる。本発明の実施形態に係る伝熱管２０の施工方法は、特に、地中に埋設する地中熱交換装置の製造及び埋設工程において、巻付治具１０に対して伝熱管２０を巻き付ける方法に特徴を有している。

なお、図１に示す例では、巻付治具１０として鉄筋カゴを用いているが、巻付治具１０は、伝熱管２０を巻き付けて埋設することが可能な強度を有していれば、鉄以外の金属、木材、合成樹脂等部材や、これらを組み合わせた部材により製造してもよい。

＜伝熱管を埋設する縦孔の削孔工程＞
まず初めに、伝熱管を埋設する縦孔の削孔工程について説明する。なお、以下に説明する施工方法は、ケーシング及びストレーナ管により井戸を作成し、井戸内に巻付治具及び伝熱管からなる地中熱交換装置を設置するようになっているが、地盤中に縦孔を削孔し、当該縦孔内に直接、巻付治具及び伝熱管からなる地中熱交換装置を設置してもよい。井戸を作成するか否かは、地中熱交換装置を埋設する地盤の土質、地中熱交換装置の規模、作業環境等を総合的に勘案して決定する。また、井戸を作成しない場合には、縦孔内に地中熱交換装置を設置した後に、縦孔内に珪砂やセメント系固化材等の充填材を充填する。

図２に示す施工方法では、予め地下水脈等を調査した地盤上に、ケーシング７０を建て込むためのパワージャッキ６０を据え付ける（ａ）。続いて、クレーン５０を用いてケーシング７０をパワージャッキ６０上に吊り込み（ｂ）、パワージャッキ６０を用いて地盤中へケーシング７０を圧入しながら、ハンマーグラブ８０によりケーシング７０内の土砂を排土する（ｃ、ｄ）。ケーシング７０の圧入（削孔）が完了すると、ケーシング７０内にストレーナ９０を挿入する（ｅ）。続いて、ケーシング７０とストレーナ９０との隙間内に砂利等の透水性材料１００を詰め込み（ｆ）、ケーシング７０を引き抜いて、ストレーナ９０による井戸を作成する（ｇ）。

続いて、図示しないが、巻付治具１０を作成し、クレーン５０により巻付治具１０をストレーナ９０内に吊り下げて、巻付治具１０の外周部に伝熱管２０を巻き付けて地中熱交換装置を作成しながら、地中熱交換装置をケーシング７０内に挿入する。その後、伝熱管２０に熱媒体循環ポンプを接続するとともに、空調機を設置して、伝熱管２０と空調機との間で熱媒体を循環させて、冷暖房等の空調を行う。

＜巻付治具＞
本実施形態の巻付治具１０は、図１に示すように、例えば４本の縦筋１１と、縦筋１１の長さ方向に適宜間隔で取り付けた環状のフープ筋１２とからなり、全体として、円筒状の鉄筋カゴにより構成されている。縦筋１１の長さ及び数と、フープ筋１２の数等は、作成する地中熱交換装置の大きさ等に応じて適宜変更して実施することができる。

＜伝熱管＞
伝熱管２０は、例えば高密度ポリエチレン管からなり、作業現場への納入時には、円筒状に巻回されている。本実施形態では、納入された状態の伝熱管２０をそのまま載置台３０上に載置して、端部から引き出して巻付治具１０の外周部へ、張力を付与しながら巻き付ける。伝熱管２０の内径は、作成する地中熱交換装置の性能等により適宜変更して実施することができる。

＜載置台＞
載置台３０は、円筒状に巻回された伝熱管２０を載置して引き出すための装置であり、図１に示すように、地上に設置する基盤３１と、基盤３１から上方へ向かって延長して設けた回転支持部３２と、回転支持部３２を回転中心として回転する回転台３３とからなる。

＜巻き付け補助具＞
巻き付け補助具１１０は、巻付治具１０の外周部に近接して設置することにより、伝熱管２０の巻き付け位置を規定するための部材である。この巻き付け補助具１１０は、図３に示すように、支柱１１１と、支柱１１１の一端部に設けた離隔部材１１２と、離隔部材１１２の両端部にそれぞれ設けた伝熱管支持部１１３ａ、１１３ｂとからなる。離隔部材１１２は、巻付治具１０の外周部に伝熱管２０を巻き付ける際に、伝熱管２０を上下に離間させる長さとなっている。

また、伝熱管支持部１１３ａ、１１３ｂは、断面が略Ｕ字状の部材であり、離隔部材１１２により上下方向に離隔して設けられている。なお、図３に示す例では、伝熱管支持部１１３ａ、１１３ｂはそれぞれ横向きとなっているが、上側では上向きに、下側では下向きに開口していてもよい。上側の支持部と下側支持部の内径は、伝熱管２０の外径よりも若干大きくなっており、上側の伝熱管支持部１１３ａ及び下側支持部の伝熱管支持部１１３ｂの内部に、それぞれ伝熱管２０を嵌め込んで、巻付治具１０の外周部に伝熱管２０を巻き付けることにより、伝熱管２０の上下の離間間隔を一定に保つことができる。

＜巻付治具への伝熱管の巻き付け＞
巻付治具１０へ伝熱管２０を巻き付けるには、図１に示すように、載置台３０（回転台３３）上に伝熱管２０を載置し、巻付治具１０を回転させながら伝熱管２０を引き出す。この際、載置台３０（回転台３３）の回転を制御して伝熱管２０に張力を付与する。すなわち、載置台３０（回転台３３）の回転を規制することにより、伝熱管２０の引き出し力を調整することができる。載置台３０（回転台３３）の回転制御は、簡易的には、作業員が載置台３０（回転台３３）の回転を調整することにより実施する。載置台３０（回転台３３）の回転制御を自動的に行うには、例えば、載置台３０（回転台３３）に、伝熱管２０の引き出し力を一定に保つための張力制御装置を取り付ければよい。張力制御装置は、回転台３３の回転力を規制する油圧ダンパー等により構成することができる。

そして、クレーン５０等の吊り下げ装置を用いて、巻付治具１０を吊り下げ、縦孔４０の内部に徐々に挿入しながら、巻付治具１０を回転させる。巻付治具１０の回転は、簡易的には、作業員が巻付治具１０を回すことにより実施する。巻付治具１０の回転を自動的に行うには、例えば、クレーン５０のフックと吊り紐との間にスイベルを取り付け、このスイベルに巻付治具１０を回転させるための回転装置を取り付ければよい。回転装置は、モータ等により構成することができる。

このように巻付治具１０を回転させながら、巻付治具１０の外周部に伝熱管２０を巻き付ける。この際、巻付治具１０の外周部に近接して巻き付け補助具１１０を配設し、この巻き付け補助具１１０により伝熱管２０の巻き付け位置（離間間隔）を規定することが好ましい。なお、巻き付け補助具１１０を使用しない場合には、巻付治具１０の伝熱管２０の巻き付け位置にマーキングを施しておけばよい。

また、伝熱管２０は、巻付治具１０の外周部に巻き付けた螺旋状部分（往管）２１と、巻付治具１０の内周部において上下方向に伸びる直管状部分（還管）２２とからなり、巻付治具１０の最下部において、螺旋状部分（往管）２１と直管状部分（還管）２２とを接続することにより、螺旋状部分（往管）２１と直管状部分（還管）２２とが一連に連通された状態となる。なお、伝熱管２０の接続は、例えば電気溶着により実施することができる。

１０ 巻付治具（鉄筋カゴ）
１１ 縦筋
１２ フープ筋
２０ 伝熱管
２１ 螺旋状部分（往管）
２２ 直管状部分（還管）
３０ 載置台
３１ 基盤
３２ 回転支持部
３３ 回転台
４０ 縦孔
５０ クレーン
６０ パワージャッキ
７０ ケーシング
８０ ハンマーグラブ
９０ ストレーナ
１００ 透水性材料
１１０ 巻き付け補助具
１１１ 支柱
１１２ 離隔部材
１１３ａ、１１３ｂ 伝熱管支持部

Claims (2)

1. 地中熱交換装置に用いる伝熱管を施工するための方法であって、
   地盤中に削孔した縦孔の上部から、吊り下げ装置で吊り下げた巻付治具を当該縦孔内に吊り下ろすとともに、当該巻付治具の外周部に伝熱管を巻き付ける工程を含み、
   前記伝熱管を巻き付ける工程において、
   回転可能な載置台上に前記伝熱管を載置し、
   前記巻付治具を回転させながら、当該巻付治具の外周部に前記伝熱管を巻き付ける際に、前記載置台の回転を制御して前記伝熱管に張力を付与し、
   前記伝熱管を前記巻付治具に巻き付けながら、前記伝熱管を前記巻付治具に固定し、
   前記吊り下げ装置による前記巻付治具の吊り下げ位置を下降させて、巻付治具の略全外周部に、前記伝熱管を巻き付ける、
   ことを特徴とする地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法。
2. 前記巻付治具の外周部に近接して、前記伝熱管の巻き付け位置を規定するための巻き付け補助具を配設したことを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換装置に用いる伝熱管の施工方法。

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